距宫崎机场驱车约30分钟的宫崎县国富町，因安装了太阳能电池板的住宅的比例在日本名列前茅而闻名。在这座光伏发电的“圣城”里，坐落着Solar Frontier公司(东京都港区)的国富工厂。这座工厂的太阳能电池板年产能为900兆瓦，相当于日均生产太阳能电池板约1.5万枚。一座工厂便拥有如此之大的生产规模，这在日本国内乃至全世界都是最大级别。在大约40万平方米的厂区内，坐落着两栋巨型建筑，一栋用作工厂，另一栋用作仓库。这两栋建筑的屋顶上，都铺满了太阳能电池板，总输出功率高达4兆瓦(图1)。
图1：国富工厂厂房屋顶设置的百万瓦级光伏电站3座工厂总年产能力达到1吉瓦
Solar Frontier生产的太阳能电池板被称为“CIS型太阳能电池”。晶体硅型太阳能电池采用的半导体是利用晶体硅(Si)制造，而CIS型太阳能电池使用的则是由铜(Cu)、铟(In)、硒(Se)、镓(Ga)、硫(S)五种元素组成的化合物半导体。这种电池也叫作“CIGS型”，基本都属于同一类别。与高效率的晶体硅型太阳能电池板相比，这种电池的转换效率虽然低几个百分点，但高温时的发电损耗低，发电量相对较高，相继为日本国内百万瓦级光伏电站所采用。除国富工厂外，Solar Frontier在宫崎县还拥有两处生产基地。三座工厂相加，年产规模达到1000兆瓦(1吉瓦)。2010年年产仅为60兆瓦，与之相比，生产能力在3年间激增到了15倍以上。在CIS型太阳能电池生产商之中，该公司的生产能力已经攀上了世界第一的宝座。
国富工厂拥有约800名员工，其中约600人工作在生产线上。约150人为一个班组，四班两倒，24小时生产。这座工厂原本是日立制作所集团企业运营的平板显示器工厂。但由于业务收益恶化，工厂停产，2009年，日立将其转让给了Solar Frontier。转让还包括了工厂建筑和负责生产管理的约300名员工。接手后，Solar Frontier投资约1000亿日元，在仅仅两年后的2011年2月，构筑起现在的生产体制，到2012年7月日本开始实行可再生能源电力固定价格收购制度(FIT)时，该公司已建立起了“百万瓦级光伏电站时代”的电池板供应体制。回顾当时，国富工厂厂长掛川一树说：“我们之所以能够在短时间内启动如此大规模的太阳能电池板生产设备，并且成功使生产步入轨道，是因为除了制造电池板的生产管理设备之外，还得到了大量拥有生产管理经验的人才，这是重要因素。”
生产工序基本实现自动化
在工厂的生产线上，有两个班组、约300名工人负责操作，从参观生产线的印象来说，员工稀稀疏疏，对于1天生产1.5万枚电池板的现场而言，人数之少令人惊讶。这是因为，生产工序基本实现了自动化。从机器人搬起玻璃基板将之固定在流水线上开始(图2)，全部是生产线流水作业。基板随传送带移动，逐一通过各种制造装置，逐步形成电极构造(图3)。完成的电池板被放置在自动传送机上，运送到巨大的堆放场存放。生产线上的半成品和仓库中的成品的情况由管理生产工艺和库存的计算机系统统一掌握。在日本国产太阳能电池板中，Solar Frontier的产品成本竞争力最强，这已经成为其得到广泛采用的因素之一。而这样的成本竞争力得以实现，靠的正是彻底实现自动化的生产线。那么，在生产线上，人究竟发挥着什么作用?除了管理工作机器人之外，多数人员的工作是检查产品质量。从事生产的一个班组、约150人中，约有100人是质检员。
图2：把玻璃基板固定在生产线上的机器人
图3：形成了电极的玻璃基板
CIS型太阳能电池生产工序的流程是，在玻璃基板上利用半导体材料形成电极构造，接着在表面覆盖保护玻璃，在背面覆盖隔离板，然后安装外框，最终组装成模块(电池板)(图4)。完成的电池板要全部接受输出特性等检查，清除次品。不过在制造流程中，也要随时随地利用传感器和肉眼检查质量。而且还要定期抽检产品，测试耐压性和绝缘性等。掛川厂长说：“我们采取了双重检查措施，包括制造工序的线上检查和随机抽检。”
图4：安装好隔离板，即将完工的CIS型太阳能电池
在大块玻璃基板上形成薄膜的生产工艺难以实现薄膜等的均质化，成品率较低，容易成为阻碍生产的课题。对此，掛川厂长说：“我们研究设计了能够同时提高转换效率和生产效率的生产工艺，在每次扩大生产规模的时候，分阶段进行了采用。通过随时将质检的结果反馈到生产工艺之中，使工艺与质量管理挂钩，成功将次品率降低到了PPM(百万分之1)的水平。”他强调说，能够做到这一点的大前提是，“从半导体材料到电池板都由一家工厂一条龙生产的优势”。
另一方面，CIS太阳能电池与晶体硅型相比，在量产化的太阳能电池中还是一项新技术，因此有人担忧这种电池“是否真的能够维持发电性能20年”。作为薄膜太阳能电池的一种，非晶硅型在投入使用后，容易出现光劣化导致功率降低的课题，因此同为薄膜型的CIS型自然也容易受到质疑。但现已证实，CIS型暴露在阳光之下，发电性能反而会渐渐超过额定输出功率，并不存在光劣化的现象。日本国内采用CIS型太阳能电池的百万瓦级光伏电站也频频传出设置后输出功率超过额定的捷报，这成为了CIS型口碑上升的一个因素。
那么，长期耐久性又是如何?在Solar Frontier位于神奈川县厚木市的研究所中，设置于2003年的CIS型太阳能电池历经10年的岁月，发电性能依然与当初不相上下。掛川厂长表示：“化合物半导体的分子构造不会被光破坏，单元永远具备发电性能。”其他有可能导致劣化的因素还有隔离板、密封材料(EVA)等有机构件，这是晶体硅型也同样存在的课题。但晶体硅型太阳能电池的历史悠久，已经出现了设置超过20年的案例，研究人员正在通过对现场的劣化情况实施评价和分析，开发具有高度重现性的加速试验方法。对于作为新技术的CIS型太阳能电池，此类高度可靠的加速试验方法的开发也将成为今后亟待解决的课题。
